左臂殼體鉆孔專用機(jī)床設(shè)計(jì)含CAD圖
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附錄A
現(xiàn)代組合機(jī)床技術(shù)及其發(fā)展綜述
江蘇大學(xué)京江學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化JT0102 21
許皇 江蘇鎮(zhèn)江 212013
摘要：介紹現(xiàn)代組合機(jī)床技術(shù)發(fā)展的主流，分析組合機(jī)床柔性化的幾個(gè)主要方面和通用部件、加工精度、應(yīng)用范圍等現(xiàn)狀及發(fā)展，從柔性制造技術(shù)角度介紹了組合機(jī)床綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展新動(dòng)向。
關(guān)鍵詞：組合機(jī)床、機(jī)床技術(shù)、自動(dòng)線、發(fā)展
1．機(jī)床及自動(dòng)線概述
組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件，對(duì)一種或若干種工件按預(yù)先確定的工序進(jìn)行加工的機(jī)床。它能夠?qū)ぜM(jìn)行多刀、多軸、多面、多工位同時(shí)加工。在組合機(jī)床上可以完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、樘孔、攻絲、車削、銑削、磨削及滾壓等工序，隨著組合機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，它能完成的工藝范圍日益擴(kuò)大。在組合機(jī)床自動(dòng)線上可以完成一些非切削工序，例如：打印、清洗、熱處理、簡(jiǎn)單的裝配、試驗(yàn)和在線自動(dòng)檢查等工序。
組合機(jī)床及自動(dòng)線所使用的通用部件是具有特定功能，按標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化原則設(shè)計(jì)、制造的組合機(jī)床基礎(chǔ)部件。每種通用部件有合理的規(guī)格尺寸系列，有適用的技術(shù)參數(shù)和完善的配套關(guān)系。
許多大型、形狀復(fù)雜的工件，需要的加工工序很多，不可能在一臺(tái)組合機(jī)床上全部加工完成，這就需要用多臺(tái)組合機(jī)床加工，按工件加工順序依次排列，組成組合機(jī)床流水線，在組合機(jī)床流水線的基礎(chǔ)上，發(fā)展成組合機(jī)床自動(dòng)線。
組合機(jī)床與通用機(jī)床、其它專用機(jī)床比較，具有以下特點(diǎn)：
（1）組合機(jī)床上的通用部件和標(biāo)準(zhǔn)零件約占全部機(jī)床零、部件總量的70%~80%，因此，設(shè)計(jì)和制造周期短，經(jīng)濟(jì)效益好。
（2）由于組合機(jī)床采用多刀加工，機(jī)床自動(dòng)化程度高，因此比通用機(jī)床生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
（3）組合機(jī)床的通用部件是經(jīng)過周密設(shè)計(jì)和長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐考驗(yàn)的，又有專門廠家成批生產(chǎn)，它與一般專用機(jī)床比較，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，工作可靠，使用和維修方便。
（4）組合機(jī)床加工工件，由于采用專用夾具、組合刀具和導(dǎo)向裝置等，產(chǎn)品加工質(zhì)量靠工藝裝備保證，對(duì)操作工人的技術(shù)要求不高。
（5）當(dāng)機(jī)床被加工的產(chǎn)品更新時(shí)，專用機(jī)床的大部分部件要作廢。組合機(jī)床的通用部件是根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，并等效于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此其通用部件可以重復(fù)使用，不必另行設(shè)計(jì)和制造。
（6）組合機(jī)床易于連接組合機(jī)床自動(dòng)線，以適應(yīng)大規(guī)模和自動(dòng)化生產(chǎn)需要。
2．組合機(jī)床加工精度的提高
由于采用了新的結(jié)構(gòu)、新刀具、新工藝方法、刀具自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)、專用刀具的復(fù)合工藝，直接利用軟件進(jìn)行誤差補(bǔ)償方法，組合機(jī)床加工精度正在不斷提高。
現(xiàn)階段在組合機(jī)床上加工大平面的平面度已達(dá)到1m長(zhǎng)上0.02~0.04mm。粗糙度達(dá)到Ra0.4~0.8um；孔徑精度達(dá)到0.0015~0.055mm。定位銷孔的中心距精度達(dá)到±0.013mm；一般孔位置精度達(dá)到±0.02~±0.025mm；單向鏜孔的同軸度達(dá)到0.005~ 0.01mm。雙向鏜孔的同軸度達(dá)到0.015~0.02mm；一些特種加工工藝的精度：如止口精度可達(dá)到0.015~0.02mm。缸蓋閥座及導(dǎo)管孔的同軸度達(dá)到0.00750~0.01mm。
3．通用部件技術(shù)的發(fā)展
除了傳統(tǒng)的通用部件以外，各主要通用部件制造廠相繼發(fā)展了直流伺服驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)、數(shù)控滑臺(tái)、數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊、多軸箱儲(chǔ)存和多軸箱更換裝置等新一代通用部件。采用模塊化設(shè)計(jì)原則將常規(guī)組合機(jī)床的通用部件和加工中心的組成模塊統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，組成新的型譜，也是一種新的趨勢(shì)。為了適應(yīng)組合機(jī)床制造廠發(fā)展柔性制造系統(tǒng)等綜合自動(dòng)化的需要，誕生了像可編程伺服驅(qū)動(dòng)位置控制裝置、計(jì)算機(jī)數(shù)控滑臺(tái)、機(jī)器人裝卸料系統(tǒng)、帶誤差信息屏幕顯示的診斷裝置、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等配套性通用部件模塊。
4組合機(jī)床應(yīng)用范圍的擴(kuò)展
現(xiàn)代組合機(jī)床已經(jīng)逐漸打破了通常認(rèn)為只適用于箱體類零件加工的模式，其功能和應(yīng)用范圍正在不斷地延伸和擴(kuò)展。
組合機(jī)床加工旋轉(zhuǎn)體零件的情況下，采用組合機(jī)床加工軸類和盤類零件具有明顯的優(yōu)越性。一些軸件，尤其是大型軸件，可以用旋轉(zhuǎn)夾具夾持中部，在組合機(jī)床或?qū)Ｓ脵C(jī)床上進(jìn)行兩端同時(shí)加工，其優(yōu)點(diǎn)是工序集中，省去調(diào)頭加工，增加了刀具及其驅(qū)動(dòng)部件的布置空間。
現(xiàn)代成批大量生產(chǎn)的儀表、精密機(jī)械、家用電器、鐘表等工業(yè)部門，常有小型箱體類、蓋罩類、連桿撥叉類、雜件等小型異形零件。這類零件由于廣泛采用先進(jìn)高效的毛坯制造工藝，金屬切除量較小，且大部分零件的材質(zhì)是鋁合金或銅合金，加工時(shí)，切削力較小。由于生產(chǎn)節(jié)拍短，要求有極高的生產(chǎn)率。用組合機(jī)床加工這類零件時(shí)，要作專門的設(shè)計(jì)，以適應(yīng)這類零件構(gòu)造和加工上的特殊性。通常加工這類零件的組合機(jī)床稱為小型組合機(jī)床，自成體系，發(fā)展迅速。
5．組合機(jī)床自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展
組合機(jī)床自動(dòng)線主要用于大批量生產(chǎn)。雖然技術(shù)已很成熟，但一般利用率低、缺乏柔性，難以適應(yīng)現(xiàn)代中批量輪番生產(chǎn)的需要，現(xiàn)代柔性自動(dòng)化技術(shù)給組合機(jī)床綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，帶來根本性的變革。其中，自動(dòng)裝配機(jī)也得到了發(fā)展。
現(xiàn)代自動(dòng)裝配機(jī)廣泛采用了組合機(jī)床原理及相關(guān)技術(shù)，現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，裝配工作量占據(jù)愈來愈大的比重。為此，裝配作業(yè)自動(dòng)化技術(shù)得到了迅速發(fā)展。目前，國(guó)外自動(dòng)化裝配工藝、已從零件緊固連接、壓入、扭合、鉚接、粘接、焊接等基本作業(yè)方式，發(fā)展到去毛刺、清洗、檢測(cè)及產(chǎn)品總裝后的試車、檢驗(yàn)、注油、噴漆、包裝等工序，一些綜合自動(dòng)化加工系統(tǒng)內(nèi)通常設(shè)有自動(dòng)裝配工序。
一個(gè)現(xiàn)代化自動(dòng)裝配系統(tǒng)。由裝配元件及裝配主體件的供料及輸送系統(tǒng)，裝配裝置及控制和檢測(cè)裝置所組成。這些系統(tǒng)裝置的設(shè)計(jì)原則和組合機(jī)床及其相似：結(jié)構(gòu)典型，部件和組件通用，形式統(tǒng)一。用于不同裝配對(duì)象時(shí)只是夾具不同。自動(dòng)裝配機(jī)的通用部件中也有裝配工作頭、裝配機(jī)主體、供料裝置及檢測(cè)裝置等。目前，世界各國(guó)都大力發(fā)展通用化程度較高的直線或回轉(zhuǎn)型間歇輸送式裝配機(jī)來替代連續(xù)輸送式裝配機(jī)，發(fā)展具有柔性及可進(jìn)行多品種裝配的自動(dòng)裝配線。該種裝配線廣泛采用：“功能模塊式結(jié)構(gòu)技術(shù)”，采用柔性連接的輸送方式。工業(yè)機(jī)器人由于可在一次動(dòng)作循環(huán)中靈活完成各種動(dòng)作，可代替裝配機(jī)許多復(fù)雜部件的動(dòng)作，從而大大簡(jiǎn)化裝配機(jī)自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。工業(yè)機(jī)器人有固定程序的，也有計(jì)算機(jī)控制的，其采用大大增加了自動(dòng)裝配線的柔性。
參考文獻(xiàn)
[1]叢鳳延，遲建山主編，組合機(jī)床設(shè)計(jì)，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1994年10月第2版。
[2]金振華，組合機(jī)床與自動(dòng)線，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，1990。
[3]潘鬼善，淺談實(shí)現(xiàn)組合機(jī)床柔性化的技術(shù)發(fā)展途徑。組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1992（2）
附錄B
調(diào)研報(bào)告
我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是組合機(jī)床雙面攻絲，加工的零件是耐酸陶瓷沙漿泵殼體，它是用HT200材料制造成的。我要攻的是M5孔，攻深13毫米。加工量是年加工五萬件，是大批量的生產(chǎn)。
接到任務(wù)的第二天就帶上筆記本到圖書館查資料。首先，我確定了左面法蘭基準(zhǔn)面粗銑下端面，達(dá)到Ra。再采用一面兩銷的定位，液壓夾緊的方案。
然后，我通過《機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》查到刀具的一系列參數(shù)，通過計(jì)算得到刀具的耐用度，切削功率等。我還確定了主軸的一系列參數(shù)。
通過這次調(diào)研，使我知道組合機(jī)床有組合鉆床、組合鏜床、鉆擴(kuò)組合機(jī)床、鉆擴(kuò)鉸組合機(jī)床等，
組合機(jī)床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以少量專用部件，對(duì)一種或若干種工件按預(yù)先確定的工序進(jìn)行加工的機(jī)床。它能夠?qū)ぜM(jìn)行多刀、多軸、多面、多工位同時(shí)加工。在組合機(jī)床上可以完成鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、鏜孔、攻絲、車削、銑削、磨削及滾壓等工序。隨著組合機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，它能完成的工藝范圍日益擴(kuò)大。在組合機(jī)床自動(dòng)線上可以完成一些非切削工序，例如：打印、清洗、熱處理、簡(jiǎn)單的裝配、試驗(yàn)和在線自動(dòng)檢查等工序。
組合機(jī)床及其自動(dòng)線所使用的通用部件是具有特定功能，按標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化原則設(shè)計(jì)、制造的組合機(jī)床基礎(chǔ)部件。每種通用部件有合理的規(guī)格尺寸系列，有適用的技術(shù)參數(shù)和完善的配套關(guān)系。
1990年前后的幾年中,躍進(jìn)汽車集團(tuán)從大連組合機(jī)床研究所、大連機(jī)床廠、常州機(jī)床廠、保定機(jī)床廠、豫西機(jī)床廠等十余個(gè)生產(chǎn)組合機(jī)床的廠家訂購了200多臺(tái)組合機(jī)床及自動(dòng)線, 其中使用量最大的第二發(fā)動(dòng)機(jī)廠用于索菲姆缸體、缸蓋、連桿等零件生產(chǎn)的組合機(jī)床120多臺(tái), 包括12條自動(dòng)線。投產(chǎn)幾年來, 依維柯汽車的生產(chǎn)起到了重要的保證作用。這批設(shè)備普遍采用了引進(jìn)德國(guó)Hubller - H ille公司的通用部件制造技術(shù), 使組合機(jī)床的產(chǎn)品技術(shù)提高到了一個(gè)新水平。在機(jī)床控制系統(tǒng)方面, 改變了傳統(tǒng)常規(guī)繼電器、接觸器控制系統(tǒng), 普遍應(yīng)用了微機(jī)控制, 大大提高了機(jī)床的先進(jìn)性和使用的可靠性。從總體上看, 組合機(jī)床行業(yè)的總體水平, 經(jīng)過幾十年的發(fā)展有了很大的提高, 特別是自動(dòng)線的技術(shù)水平比“六五”期間又大大前進(jìn)了一步。從用戶的角度看, 這些設(shè)備與引進(jìn)的組合機(jī)床的水平差距還較大
在組合機(jī)床上攻制螺紋時(shí)，根據(jù)工件加工部位的分布情況和工藝要求，通常使用的攻絲方法有三種：用攻絲動(dòng)力頭攻絲；用攻絲靠模裝置攻絲；用活動(dòng)攻絲模板攻絲。攻絲靠模裝置由攻絲主軸箱與攻絲靠模兩個(gè)部分組成。為減輕體力勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化水平，在組合機(jī)床及其自動(dòng)線上，都廣泛地使用各種型式的自動(dòng)扳手。自動(dòng)扳手主要用來旋緊或松開夾緊機(jī)構(gòu)中的螺母或螺桿，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾緊、松開工件或裝配零件的目的。根據(jù)扳手的傳動(dòng)方式，又可分為“機(jī)械扳手”“氣動(dòng)扳手”和“液壓扳手”三種。
通過這次調(diào)研，我對(duì)組合機(jī)床有了一定的了解，對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助。
附錄
通過即時(shí)誤差補(bǔ)償以增強(qiáng)準(zhǔn)確度的五軸 CNC 機(jī)床
W.T. Lei , Y.Y. Hsu
aDepartment of Power Mechanical Engineering, National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan, ROC
bDepartment of Mechanical Engineering, Chung Hua University, Hsinchu, Taiwan, ROC
2003年1月18日收到; 2003年3月11日接收
摘要：雖然誤差靠模切和補(bǔ)償已經(jīng)為三軸 CNC 機(jī)床提供重要的結(jié)果, 但是一些障礙已經(jīng)阻止有希望的技術(shù)在五軸 CNC 機(jī)床中被應(yīng)用。一個(gè)決定性的障礙是測(cè)量或識(shí)別回轉(zhuǎn)式范圍的五軸 CNC 機(jī)床的聯(lián)結(jié)誤差的困難。誤差模型不是完全如此的知道。為了克服這點(diǎn),3D立體球形探針和球形的測(cè)試方法成功地被發(fā)展測(cè)量而且估計(jì)這些未知的誤差錯(cuò)誤?；诒蛔R(shí)別的誤差以模型為基礎(chǔ)的誤差補(bǔ)償方法足夠簡(jiǎn)單在即時(shí)中實(shí)現(xiàn)。在五軸的機(jī)床反常位置中的誤差補(bǔ)償有關(guān)的問題也被討論。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表示全部位置的五軸 CNC 工作機(jī)的準(zhǔn)確度能被戲劇地改良。
關(guān)鍵詞：高精度、五軸機(jī)床、球形探針、誤差補(bǔ)償
1． 介紹
在過去的十年，很多的研究已經(jīng)在幾何學(xué)和熱感應(yīng)誤差之前把重心集中在三軸的CNC機(jī)床的準(zhǔn)確度上?；诩榷ǖ腻e(cuò)誤模型,一個(gè)補(bǔ)償方法能夠被發(fā)展到改善提高目標(biāo)機(jī)床的精度。如果機(jī)器的操作狀態(tài)是好定義和可以重復(fù)的，那么誤差補(bǔ)償在三軸CNC機(jī)床中遞送出一個(gè)好的結(jié)果。相反,在五軸的CNC機(jī)床的早先研究中是主要以理論和模擬為基礎(chǔ)。由于缺乏一些適當(dāng)?shù)臏y(cè)量裝置,在五軸的CNC機(jī)床誤差模型中的一些主要的誤差是不可測(cè)量的。在神經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)模型被使用作為誤差補(bǔ)償時(shí)，因此省略這個(gè)問題。既然錯(cuò)誤模型描述個(gè)體誤差來源的效果在總的位置誤差是正確地，那么很明顯地,基于補(bǔ)償?shù)腻e(cuò)誤模型將遞送最有效的結(jié)果。在誤差模型中,這個(gè)研究努力集中在未知成分的確認(rèn)上。
在五軸CNC機(jī)床的誤差模型中出現(xiàn)的成分被分為兩類:運(yùn)動(dòng)的誤差和連桿誤差。運(yùn)動(dòng)的誤差是那些以錯(cuò)誤動(dòng)作聯(lián)合伺服驅(qū)動(dòng)的線性或回轉(zhuǎn)式的軸。伺服驅(qū)動(dòng)的線性軸的所有運(yùn)動(dòng)誤差能夠用現(xiàn)代激光干涉儀有效的測(cè)量.相反,由一個(gè)電子的水平或多面的鏡子,回轉(zhuǎn)式的軸的運(yùn)動(dòng)誤差僅僅是部分可測(cè)量。連桿誤差就是那些由于錯(cuò)誤裝備的結(jié)構(gòu)成分,例如柱，紡錘體和回轉(zhuǎn)式的臺(tái)?？蓽y(cè)量的連桿誤差包含在三個(gè)線性的軸之間的三個(gè)方形誤差。由于易接近的缺乏,回轉(zhuǎn)式的臺(tái)的連桿誤差正常地是不可測(cè)量的。
為了提高五軸CNC機(jī)床的精度,以型號(hào)為基礎(chǔ)的即時(shí)誤差補(bǔ)償有許多優(yōu)點(diǎn)。第一,幾乎全部被識(shí)別的誤差能完全被補(bǔ)償。另外, 像方栓槽這樣的高階層的路徑數(shù)據(jù)控制程序表的定義,能直接地被CNC的內(nèi)插器處理和避免五軸機(jī)床中不連續(xù)補(bǔ)給的典型問題。在早先的研究中，為了測(cè)試五軸機(jī)床的全部位置誤差，一些新的對(duì)應(yīng)的方法測(cè)量裝置出現(xiàn)了。同時(shí),在誤差模型中，一個(gè)估測(cè)的方法被發(fā)展識(shí)別未知的連桿誤差.以型號(hào)為基礎(chǔ)的即時(shí)誤差補(bǔ)償?shù)玫搅烁M(jìn)一步的研究.
2． 基本概念
在五軸機(jī)床的數(shù)據(jù)流量中,前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)學(xué)的變換被運(yùn)行在不同的水平。通常,兩者的變換以一個(gè)理想的運(yùn)動(dòng)鏈為基礎(chǔ),在那里，幾何學(xué)的真正的機(jī)器誤差不被考慮。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的五軸CNC控制器只接受收NC的數(shù)據(jù)在機(jī)器坐標(biāo)中的定義,在卑鄙的男人/凸輪系統(tǒng)的后處理器中后退變換被運(yùn)行。在切斷機(jī)中位置數(shù)據(jù) (CLDATA) 文件被轉(zhuǎn)換，工具路徑從工作件坐標(biāo)進(jìn)入機(jī)器坐標(biāo)之內(nèi)被定義，以適應(yīng)目標(biāo)CNC控制器的輸入圖紙幅面。在這張紙中, 以變換為基礎(chǔ)的理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型叫做公稱的變換。標(biāo)稱后退變換Fb,n計(jì)算機(jī)器坐標(biāo)的軸位置向量u在工作件坐標(biāo)中的工具姿勢(shì)矢量v：
u=Fb,n(v) (1)
工具姿勢(shì)矢量 v 在工作件坐標(biāo)中被定義，且包括工具提示位置P = [xw yw zw]和工具方向Q = [iw jw kw]。Q是個(gè)體方向的矢量。
公稱前方變換Ff,n計(jì)算工作件坐標(biāo)中的工具姿勢(shì)矢量v在機(jī)器坐標(biāo)的軸位置向量u:
v = Ff,n(u) (2)
注意液體對(duì)前方變換是唯一的。對(duì)于每個(gè)給予的軸位置矢量u，只要有一個(gè)。而對(duì)應(yīng)的工具姿勢(shì)矢量v，僅僅只有一個(gè)。相反,液體對(duì)于后退變換不是唯一的。如果五軸機(jī)床不在單數(shù)方面位置, 那么大體上兩個(gè)液體為后退變換。依照預(yù)先定義的標(biāo)準(zhǔn),選擇是很有必要的，例如：最小的駕駛能或距離。如果五軸機(jī)床在反常的位置中,一個(gè)回轉(zhuǎn)式的軸位置是不可以解決的。在X’Y’ZA’C’型的情況下，當(dāng)回轉(zhuǎn)式的C軸是在垂直的方向，五軸銑床是在反常的位置中的。在此情況下, k-成分方向向量Q等于1，且其他的成分是零。在工作塊坐標(biāo)中，旋轉(zhuǎn)C-軸不改變工具方向。
用軸位置向量Us驅(qū)動(dòng)真的五-軸機(jī)器時(shí), 實(shí)際的工具姿勢(shì)向量Va從設(shè)置工具姿勢(shì)向量Vs中背離：
Va=Fe(us,e) (3)
其中：Fe是五軸機(jī)器的誤差模型，e是設(shè)置幾何學(xué)誤差。
以型號(hào)為基礎(chǔ)的誤差補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)是為每個(gè)軸的位置矢量Us找出一個(gè)必需的修正矢量du
以致于盡管存在幾何學(xué)的誤差,但工具執(zhí)行被需要的姿勢(shì):
vs =Fe(us +du,e) (4)
發(fā)現(xiàn)修正的矢量du在誤差模型中的所有誤差一定是已知的必然情況。有一些不同的方法找矢量du。既然誤差模型是高度地非線性，用可接受的公差得到一個(gè)液體，重復(fù)是正常必需的。對(duì)于即時(shí)的誤差補(bǔ)償,反復(fù)接近不被選擇。因?yàn)檎`差很小,在工作件坐標(biāo)中的工具姿勢(shì)的不同變化和在機(jī)器軸坐標(biāo)中的不同變化中被假定是線性的。以一個(gè)理想的運(yùn)動(dòng)鏈為基礎(chǔ), 幾何學(xué)的真正的機(jī)器誤差不被考慮。發(fā)現(xiàn)修正的矢量du在誤差模型中的所有誤差一定是已知的必然情況。有一些不同的方法找矢量du。既然誤差模型是高度地非線性，用可接受的公差得到一個(gè)液體，重復(fù)是正常必需的。對(duì)于即時(shí)的誤差補(bǔ)償,反復(fù)接近不被選擇。因?yàn)檎`差很小,在工作件坐標(biāo)中的工具姿勢(shì)的不同變化被假定是線性的。在矩陣形式中，這種線性的關(guān)系是已知的例如Jacobian矩陣。 因?yàn)橐后w對(duì)于前進(jìn)變換總是唯一的, 使用它計(jì)算Jacobian矩陣是比較好的：
J=?Ff,n(u)／?u (5)
通過使用倒轉(zhuǎn)的Jacobian矩陣，修正矢量du的計(jì)算是非常
簡(jiǎn)單的:
du=J￣1dv (6)
其中：J￣1就是倒轉(zhuǎn)的Jacobian矩陣。
3. 誤差建模的確認(rèn)
圖1 表示五個(gè)軸的銑床。當(dāng)一個(gè)開著的運(yùn)動(dòng)鏈通過棱鏡分析和回轉(zhuǎn)的接合，在系列中用一些連桿連接，機(jī)器能被建模。在運(yùn)動(dòng)鏈的一端是工具用主心軸鎖住。旋刮板心軸臺(tái)在Z上被修理-滑動(dòng)。沿著一個(gè)用棱鏡分析的接合柱，Z-滑動(dòng)垂直地移動(dòng)。 一方面，柱在機(jī)器底座上被閂住。 另一方面運(yùn)動(dòng)鏈的一端由工作件開始,工作件在C的基準(zhǔn)表面上被修理-轉(zhuǎn)盤。C-轉(zhuǎn)盤用A-傾斜頭被整合，另一方面被裝在X臺(tái)上。C軸和A軸一起成為工作件傾斜動(dòng)作的因素。由一個(gè)棱鏡分析的連接，X-臺(tái)水平地在Ytable上移動(dòng)。 也用一個(gè)棱鏡分析的接合Y-臺(tái)在機(jī)器底座上移動(dòng)。
圖2在同一個(gè)系統(tǒng)中，用補(bǔ)償參數(shù)Z0, Z1, Z2和Z3舉例說明同一結(jié)構(gòu)。叁數(shù)Lt是工具長(zhǎng)度。為每個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)的成分, 在同種的變換矩陣(HTM)定義之后，在工作件的同等結(jié)構(gòu)和工具同等
圖1.XˊYˊZAˊCˊ類型的五軸機(jī)床 圖2. 同等結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床
結(jié)構(gòu)之間空間的關(guān)系，能被表示成：
wTt = wTbbTccTaaTxxTyyTzzTssThhTt (7)
其中：分度t標(biāo)識(shí)表現(xiàn)工具同等結(jié)構(gòu), h刀把, s 旋刮板心軸，x，y,z三線性的軸, a和c兩個(gè)回轉(zhuǎn)式的軸, b基準(zhǔn)表面轉(zhuǎn)盤和w工作件。 注意連桿回轉(zhuǎn)式的臺(tái)bTc ，cTa 和 aTx 的誤差是主要的,未知和需要的是被估計(jì)的。
用軸的位置矢量u給工具矢量v定位。工具尖端的位置 P=[xw yw zw]被獲得如下:
[P 1]T =WTt,i [0 0 0 1]T (8)
在工作件同等結(jié)構(gòu)和工具同等者結(jié)構(gòu)之間，wTt,i描寫理想關(guān)系，通過設(shè)定所有的誤差對(duì)準(zhǔn)零位被獲得。向量[0 0 0 1] 表示工具同等結(jié)構(gòu)的起點(diǎn)，由于旋轉(zhuǎn)的軸C和A， 注意工作件同等結(jié)構(gòu)是固定在轉(zhuǎn)盤和并旋轉(zhuǎn)的。因此, 工具方向向量通過個(gè)體方向的向量Q =[iw jw kw]表示, 是唯一被決定的兩旋轉(zhuǎn)的軸，且能獲得在工具同等結(jié)構(gòu)改變的個(gè)體向量[0 0 1]到工作件同等結(jié)構(gòu)的關(guān)系：
[Q 0]T=wTt,i[0 0 0 1]T （9）
公稱前方變換的五個(gè)軸的銑床能被使用容易地矩陣wTt,i明確地追從，表示如下：
xw = zmsin( ? c)sin( ? a)-ymsin(? c)cos(? a)-xmcos(? c)-Xw0 （10）
yw = zmcos(? c)sin ( ?a)-ymcos(? c)cos (? a) - xmsin(? c)-Yw0 (11)
zw = zmcos(? a) -ymsin(? a)-Z3-Zw0 (12)
iw =sin(? a)sin(? c) (13)
jw=sin(? a)cos(? c) (14)
kw =cos(? a) (15)
其中：xm, ym, zm, qa和qc的設(shè)置位置分別地由X軸, Y軸, Z軸, A軸和C軸,伺服-控制。
軸位置向量是u =[xm ym zm qa qc]. Xw0, Yw0和Zw0是工作件同等結(jié)構(gòu)和底部表面
同等結(jié)構(gòu)之間的補(bǔ)償。
通過忽略秒和比較高次序期間，在實(shí)行矩陣增加之后，全部的位置誤差的明白表達(dá)能夠被獲得。工具姿勢(shì)誤差dv包含工具提示的位置誤差dP =[dxw dyw dzw]和方向誤差dQ=[diw djw dkw],在工作件誤差坐標(biāo)中，dP和dQ被表示成：
[dP 1]T =wTt,i[0 0 0 1]T-wTt[0 0 0 1]T (16)
[dQ 0]T = wTt,i[0 0 0 1]T-wTt[0 0 0 1]T (17)
錯(cuò)誤模型有Eqs.表示，且不同與Eq.的表示，Eq.是描寫位置誤差工具的總的在工作件同等的結(jié)構(gòu)。相反, 誤差模型是探針傳感器描寫總的位置誤差的標(biāo)準(zhǔn)。雖然.，這兩個(gè)模型是不同的,但大多數(shù)的誤差成分是一樣。
在過去, 既然主要誤差成分不知道， 誤差模型作為模擬使用?，F(xiàn)在，用3D球型探針測(cè)試球提供了一個(gè)新的方法?？偟奈恢谜`差被測(cè)量時(shí)，未知的鏈環(huán)誤差能被最小的正方形估計(jì)(LSE)方法識(shí)別。
4. 補(bǔ)償算法
注意工具姿勢(shì)誤差矢量dv被定義進(jìn)入工作件坐標(biāo)和修正矢量 du 是在機(jī)器坐標(biāo)中定義。樣板的基礎(chǔ)誤差補(bǔ)整的一個(gè)決定性的階段是源自從誤差向量dv的修正矢量du。就以上所提,在工作件坐標(biāo)和機(jī)器坐標(biāo)方面的差別之間，公稱的前方變換功能被用來計(jì)算描述線性Jacobian矩陣。Eqs.看， 這種線性關(guān)系能明確地表示成：
dxm = (-dxwCcSa + dywScSa + diwCcSazm –diwCcCaym-djwScSazm -djwScCaym) /Sa (18)
dym =(-dxwScC2a-dywCcC2a+dzwCaSa+diwS2aSczm +diwCcSaC2axm-djwScSaC2a +djwCcS2azm) /Ca (19)
dzm = (dxwSaScCa +dywCcSaCa +dzwC2a-diwScym-diwCcCaxm +djwScCaxm-djwCcym) /Ca (20)
dqa =(diwSc +djwCc) /Ca (21)
dqc =(diwCc-djwSc) /Sa (22)
其中Cc, Ca, Sc和Sa分別地是cos(qc),cos(qa),sin(qc)和sin(qa)簡(jiǎn)化的操作。在公式(18)－(22)中,cos(qa)和sin(qa)出現(xiàn)在分母上，可能導(dǎo)致一些問題。
4.1. Case 1: ? a = 0?
在這種情況下, C-轉(zhuǎn)盤是在水平線的位置。在工作件坐標(biāo)工具方向向量是[0 0 1] ，五-軸機(jī)器是在它的反向的位置。公稱的后退變換是不可以解的，因?yàn)?C-軸可能在任何的位置變化。由于單數(shù)位置，一個(gè)小的定方位偏差可能引起 C軸突然地適應(yīng)。關(guān)于五-軸機(jī)床其他的運(yùn)動(dòng)學(xué)的類型，相似的結(jié)果也存在。在路徑計(jì)劃中,反向的位置必須經(jīng)過工作件的傾斜裝備被避免。 在練習(xí)時(shí),反常的問題在3D立體工作件之后可能發(fā)生裝備修正。為了安全, C軸的修正必須被鎮(zhèn)壓。只有定方位YZ 的偏差平面是A軸補(bǔ)整的。修正是依據(jù)下列各項(xiàng)：
dxm = -Ccdxw+Scdyw-ymdjw (23)
dym=-Scdxw-Ccdyw+xmdjw (24)
dzm =dzw (25)
dqa =diw (26)
4.2.Case 2: ? a = 90?
在這種情況下，C-轉(zhuǎn)盤底部表面是垂直的，成分kw是零點(diǎn)。C-軸的位置確定工作塊同等結(jié)構(gòu)的XY-平面工具方向。修正被簡(jiǎn)化如下：
dxm = -Ccdxw + Scdyw +zmdjw (27)
dym = dzw (28)
dzm = Scdxw +Ccdyw-xmdjw (29)
d? a =diw (30)
d? c =djw (31)
5. 實(shí)驗(yàn)的結(jié)果
圖3. 即時(shí)的幾何錯(cuò)誤補(bǔ)償?shù)墓δ芙Y(jié)構(gòu) 圖 4. 測(cè)試路徑.
為了測(cè)試被提議的補(bǔ)償方法的效率,補(bǔ)償功能在五軸CNC控制器中整合的軸也被定為目標(biāo)被發(fā)展。自動(dòng)控制的CNC控制器和AC操作者的是一張移動(dòng)的卡片,這有五個(gè)16字節(jié)刀尖塊的D/A轉(zhuǎn)換器輸出速度的命令和五個(gè)24字節(jié)刀尖塊計(jì)數(shù)器對(duì)編碼器輸入。動(dòng)作控制軟件已經(jīng)被發(fā)展在C/C++語言和在即時(shí)NT-RTX操作系統(tǒng)中。位置控制的抽樣時(shí)間是2ms。
CNC 軟件的功能結(jié)構(gòu)為即時(shí)的誤差補(bǔ)償在圖3中被顯示。即時(shí)的核心程序表示運(yùn)行路徑和定方位竄改。數(shù)字控制路徑輸入能在機(jī)器坐標(biāo)或工作件坐標(biāo)中被定義。如果竄改在工作件坐標(biāo)中被運(yùn)行,以后退變換為基礎(chǔ)的理想的運(yùn)動(dòng)學(xué)的樣板的追從來計(jì)算機(jī)器制造坐標(biāo)設(shè)置位置。在每個(gè)即時(shí)的位置中，誤差補(bǔ)償被刺激控制成環(huán)。計(jì)算在工作件坐標(biāo)誤差模型工具姿勢(shì)的誤差，是為了每個(gè)軸的位置的放置。依據(jù)工具姿勢(shì)誤差,然后計(jì)算機(jī)器坐標(biāo)的修正矢量。
測(cè)量全體放置誤差和未知連桿誤差的判斷已經(jīng)被描述在早先的文件中。模擬表示誤差在回轉(zhuǎn)式的軸臺(tái)是主要的,有助于達(dá)到80%全部的位置誤差。相反,線性的軸系統(tǒng)小于20%。
圖 5錯(cuò)誤補(bǔ)償?shù)穆窂紽結(jié)果 圖 6錯(cuò)誤補(bǔ)償?shù)穆窂絊結(jié)果
圖4表示了一些即時(shí)的誤差補(bǔ)整測(cè)試的路徑。圖5表示標(biāo)準(zhǔn)的全部位置誤差補(bǔ)償之前和即時(shí)的誤差補(bǔ)整之后,路徑 F 作為兩者的判斷和精度測(cè)試。精度提高是非常令人印象深刻的。全部的定位精度能由X方向的一個(gè)7.8的因數(shù),在Y方向的3.2因素和在Z方向的8.2因素而提高。這么高的進(jìn)步率在模擬方面已經(jīng)被預(yù)測(cè)并且證明,現(xiàn)在以真正的機(jī)器測(cè)試。這些優(yōu)良的結(jié)果來自無可測(cè)量的連桿誤差事實(shí)在回轉(zhuǎn)式的臺(tái)中是主要的,可重復(fù)的且能正確地識(shí)別.即時(shí)的誤差補(bǔ)償?shù)男试诖_認(rèn)和精度測(cè)試被使用的不同路徑中得到更進(jìn)一步證明。這次，路徑 F 作為判斷,路徑 S 作為評(píng)估。圖6表示結(jié)果。精度提高仍然是令人印象深刻的。
6. 結(jié)論
仿制的幾何學(xué)誤差的最終目標(biāo)是去補(bǔ)整誤差以致于CNC機(jī)床的精度能被有效地改良。在早先的研究中,一個(gè)新的測(cè)量裝置和方法被發(fā)展是為了識(shí)別在誤差模型中的未知連桿誤差。在以上的情況下，被識(shí)別的誤差模型被用于即時(shí)的誤差補(bǔ)整。自從新的方法發(fā)展后,所有的幾何學(xué)的誤差都很小, 在機(jī)器坐標(biāo)中不同的變化和工作件方面的坐標(biāo)之間的關(guān)系能被視為線性。被提議的使用線性的關(guān)系來補(bǔ)償?shù)姆椒?從被預(yù)測(cè)的工作件坐標(biāo)誤差的工具姿勢(shì)誤差來,計(jì)算在機(jī)器坐標(biāo)中的修正矢量.對(duì)于即時(shí)的落實(shí),運(yùn)算法則如此地簡(jiǎn)單和適當(dāng).實(shí)際的測(cè)試表示全部的位置誤差能被戲劇地減少。隨著誤差補(bǔ)整功能在CNC控制器中實(shí)現(xiàn),在五軸機(jī)床的精度不被犧牲的情況下,制造業(yè)的成本和回轉(zhuǎn)式臺(tái)的裝配時(shí)間能被減少。 未來的工作將要
把重心集中在仿制在誤差模型的熱效果上，以便以型號(hào)為基礎(chǔ)的誤差補(bǔ)整能回應(yīng)不同機(jī)器的操作狀態(tài)。
認(rèn)證
作者感謝中國(guó)國(guó)家科學(xué)政務(wù)會(huì)對(duì)此研究給予的支持,并被授予 NSC89-2212-E-007-078和NSC90-2212-E-007-090.
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